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［摘要］文中以遼寧省丹東鳳城三灣水電站為例，以水工模型試驗的方法對該電站泄洪洞消力池方案設計進行優化，結論顯示消力池優化設計方案水流流態良好，在流速和底板壓強方面完全滿足工程設計和相關施工規范的要求，建議在工程設計中采用。

［關鍵詞］三灣水電站；消力池；優化設計

1工程背景

三灣電站位于遼寧省丹東鳳城市境內的愛河下游東湯鎮三灣村境內，是一座以發電為主，兼具旅游和水產養殖等功能的綜合性水利工程。水電站為漿砌石拱壩，最大壩高66m，總庫容2430萬m3，裝有3臺8MW水力發電機組，總裝機容量24MW，工程預計于2019年建成投入使用，對緩解鳳城市城鄉電力短缺，促進區域經濟發展起到了重要作用。電站的導流泄洪洞位于大壩左岸的巖體內，在工程修建期間主要承擔施工導流功能，在水電站建成投運后還承擔泄洪、沖沙和放空任務，屬于一條多功能永久性隧洞設施，因此設計和修建標準較高。從結構設計來看，導流洞主要由進口段、閘井段、洞身段、出口泄槽及陡坡擴散段和出口消能段構成，施工期最大導流流量為183.5m3/s，水庫運行期間的設計洪水流量為306.5m3/s，校核洪水流量為345.5m3/s。

2模型設計和制作

2.1泄洪洞出口段設計方案。三灣水電站導流泄洪洞出口泄槽段截面為矩形，寬5.5m，高5.5m，擴散段的寬度由5.0m逐步增加到12.5m，底板高程由178.9m逐漸降低到176.9m，通過拋物線與消力池連接；出口段消力池寬8.0m，長55.5m，深4.3m，消力池底板高程為173.0m，設計為帶支撐桿的U型結構，水流在出池后進入退水段。2.2模型的設計與制作。研究不僅要完成導流泄洪洞的整體模型試驗，還要局部流態研究，因此模型試驗設計應該滿足SL155-95《水工（常規）模型試驗規程》[1]和SL158-95《水工建筑物水流壓力脈動和流激震動模型試驗規程》[2]等相應的水工設計規范要求。考慮試驗場地因素，模型采用的幾何比尺為50。為滿足水流紊動阻力相似性需求，模型采用有機玻璃板制作，高程誤差小于2mm，平面誤差小于10mm[3]。水位監測采用DJ800型多功能監測系統；斷面流速分布采用DJ800型多功能監測系統和畢托管聯合監測測量；底板壓強采用采用DJ800型多功能監測系統的壓力探頭測量；水流流態采用高倍像素相機拍攝[4]。2.3試驗方案和數據采集。根據導流泄洪洞消力池的運行實際，需要對流速分布、壓強分布以及水面線和水流流態進行試驗分析[5]。在數據采集方面，水位和和流速測點采用等間距布置，在消力池段設置5個測點；消力池壓強測點在底板上均勻布置，共28個壓強測點。2.4試驗工況。結合工程設計數據和相關研究的具體經驗，研究設計如表1所示，3個試驗工況[6，7]。

3消力池優化設計的模型試驗分析

3.1原方案水流流態分析。在常遇洪水條件下，水流進入陡槽段后，沿程水位逐漸降低，之后進入消力池產生水躍，隨著流量的逐漸增加，消力池的水流流態也呈變差態勢，在水躍后移的同時也逐漸由淹沒水躍演變為遠驅水躍。這說明消力池的尺寸不足，需要增加消力池的深度和寬度。另一方面，由于消力池深度不足，致使末端水流深度較大，在進入護坦段后，由于河道寬度突然增加，導致水面發生比較嚴重的跌落，因而水流的流速變大且波動十分劇烈，進而造成下游河道的嚴重沖刷。因此，需要對消力池進行優化設計，改善水流流態和水力特征。3.2消力池優化方案設計針對原方案在模型試驗過程中表現出的問題，將底板高程由原來的173.0m降低到271.0m，泄槽段與消力池的底板連接部分設計為半徑30m的曲線結構，將消力池的寬度增加2.0m，由原來的8.0m增加到10.0m，消力池下游的護坦高程保持不變，將其長度增加到40m。針對修改后的消力池設計方案，在3種工況下再次進行試驗和測量[8]。3.3優化設計方案的水力特征分析。3.3.1水流流態分析。在優化設計方案中，泄洪洞陡坡泄槽段的寬度從8.0m逐漸擴散到10.0m，水流受到擴散段的影響而向中部匯集，呈現出中間深度大、兩側深度小的流態。在水流進入消力池后可以形成完整的淹沒水躍，隨著庫水位和流量的增加，水躍的躍首逐漸向后移動，擺動范圍也逐漸增加，具體試驗結果如表2所示。在水位和流量達到設計洪水標準時，水躍的躍首在消力池的0+619.23斷面和0+627.53斷面之間擺動；在水位和流量達到校核洪水標準時，水躍的躍首在消力池的0+618.12斷面和0+632.08斷面之間擺動。雖然庫水位和流量的增加會導致消力池水流流態變差，特別是水躍躍首的擺動范圍有所變大，但是在3種工況下均為淹沒水躍，說明消力池設計方案在優化之后的深度和寬度值可以滿足消能的實際需求。3.3.2優化方案水面線分析。在試驗過程中測量了消力池優化設計方案在不同工況下的水深，結果如表3所示。顯然，消力池的邊墻高度應該為實測水深加上安全超高，由表格中的數據可知，消力池水躍段在設計洪水條件下的實測最大水深為14.96m，而此段的邊墻高度設計值為15.4m，所以邊墻高度完全滿足泄流要求。在消力坎退水渠段，在設計洪水流量條件下的實測最大水深為4.57m，該段的邊墻高度為6.0m，在度汛期間該段邊墻的高度完全滿足要求。在出口消能段的其他分段，實測水深均顯著小于邊墻設計高度，說明邊墻設計高度能夠滿足泄流要求。3.3.3水流流速對比。為了進一步確定消力池優化設計方案的技術可行性，對其在3種不同工況下的包括消力池段在內的泄洪洞出口消能段11個斷面的水力學參數進行測量分析。泄洪洞出口消能段的斷面流速設計值與試驗結果的對比如表4所示。由表格中的數據可以看出，各斷面的實驗流速和設計流速均存在一定的差距，但是總體上看均小于設計流速值，完全滿足施工設計的要求。3.3.4底板壓強對比。試驗過程中對典型斷面壓強進行測量，獲得如表5所示的結果。由表格中的數據可知，在消力池優化設計方案條件下，泄洪洞出口消能段底板壓強分布均勻，變化幅度不大。各個測量斷面的泄槽底板壓強總體分布狀況良好，只有彎道段壓強分布不均勻，具有較大的變幅；底板壓強大多為正值，但是在0＋613斷面出現了最大值為-1.50kPa的負壓，但是負壓值并不大，不會對底板的穩定造成威脅。

4結論

以遼寧省丹東鳳城三灣水電站為例，以水工模型試驗的方法對該電站泄洪洞消力池方案設計進行優化，可知：1）通過模型試驗，觀察了消力池原始設計方案條件下的水流流態。結果顯示，隨著流量的逐漸增加，消力池的水流流態也呈變差態勢，主要表現為水躍后移的同時也逐漸由淹沒水躍演變為遠驅水躍；在進入護坦段后，水面發生比較嚴重的跌落，水流的流速變大且波動十分劇烈，會對造成下游河道的嚴重沖刷。2）針對消力池原始設計方案下的水流流態存在的問題，提出了加寬和加深消力池的優化設計方案，以改善水流流態和水力特征。3）為了進一步確定消力池優化設計方案的技術可行性，對對其在3種不同工況下的水力學參數進行測量分析。結論顯示，泄洪洞出口消能段各斷面的實驗流速總體上看均小于設計流速值，完全滿足施工設計的要求。泄洪洞出口消能段底板壓強分布均勻，變化幅度不大。各個測量斷面的泄槽底板壓強總體分布狀況良好，僅在在0＋1668斷面出現了最大值為-1.50kPa的負壓，但是負壓值并不大，不會對底板的穩定造成威脅。綜合上述，消力池優化設計方案水流流態較好，在流速和底板壓強方面完全滿足工程設計和相關施工規范的要求，建議在工程設計中采用。

作者:原有芬 單位:桓仁滿族自治縣水庫移民開發局